[发明专利]一种基于标准CMOS工艺的单光子级分辨率传感器单元结构

说明书

技术领域

本发明是一种单光子级分辨率传感器的单元结构，并且具体在标准CMOS工艺中实现其制作方法。

背景技术

在微弱光成像、高速成像以及量子通信等领域，需要高效、低噪声的单光子探测器。现在通常使用的光电倍增管(PMT)需要高操纵电压，而且单元结构体积大，不能够大规模集成。硅雪崩光电二极管(APD)是工作在PN结的线性区域，工作电压低于雪崩电压，所以其增益一般不高于1000，不能够实现单光子探测。电子倍增CCD(EM-CCD)其增益能够应用与微弱光探测，但是其工作频率较低，时间分辨率达不到光子计数的应用。

单光子雪崩二极管(SPAD)，即盖革模式雪崩光电二极管(GM-APD)，其基本结构为一个平面的PN结，工作电压位于PN结雪崩击穿电压之上。当平面PN结的工作电压逐渐逼近雪崩电压时，理论上雪崩倍增因子将趋于无穷大，而实际上，当工作电压小于雪崩电压时，倍增因子到1000左右时就会饱和。只有在盖革模式下，即工作电压高于雪崩击穿电压时，倍增因子才能大到足以捕捉单光子。

单光子雪崩二极管可以用多种结构来实现，每种结构最终追求的器件特性在于低暗噪声、高时间分辨率以及可集成度。同时，在保证器件良好性能的同时，其制作工艺也需要简单方便和经济，因此，可以用标准CMOS工艺来实现的单光子雪崩二极管就符合市场需求。

本发明提出的单光子级分辨率传感器单元结构，在保证器件优良性能的同时，完全基于标准CMOS工艺设计，因此可以方便的进行大规模集成，解决现有技术中存在的难点利问题。

发明内容

本发明提供一种基于标准CMOS工艺的单光子级分辨率传感器单元结构，该传感器单元结构使用一种单光子雪崩二极管(SPAD)，其基本结构构成为：P型硅衬底(4)上方设有深N阱(3)；P阱区域(2)形成于深N阱(3)上方并且被深N阱(3)包住；阳极接触(9)通过重掺杂的P型区域(1)连接到P阱区域(2)；阴极接触(10)通过重掺杂的N型区域(5)连接到N阱区域(6)以及深N阱(3)；浅沟道隔离区域(7)位于P阱区域(2)和N阱区域(6)之间，将P阱与N阱隔离开；浅沟道隔离区域(7)一周设有P型掺杂的保护环(8)，以遏制浅沟道隔离中由于缺陷产生的暗噪声；在P阱区域(2)的底部与深N阱(3)之间的PN结(11)，当在阴极与阳极之间施加适当的偏置电压，使PN结工作在盖革模式下，PN结产生高压区，形成SPAD倍增区域，以此来探测光子，并且通过控制深N阱(3)的浓度梯度使得PN结的边缘击穿电压高于SPAD的平面倍增区域的击穿电压，从而保证器件正常工作在盖革模式，进行光子的探测。

本发明的有益效果是：(1)器件结构简单，制作工艺同标准CMOS工艺完全兼容，经济实用；(2)通过浅沟道隔离及P型掺杂保护环，有效的降低了器件的暗噪声；(3)器件可伸缩性好，利于提高器件的大规模集成性。

附图说明

现将参照以下附图具体详细说明本发明的主题，并清楚地理解本发明的有关结构和实现方法以及其目的、特征和优势：

图1是本发明基于标准CMOS工艺的单光子级分辨率传感器单元结构示意图。

图2是本发明单光子级分辨率传感器工作电压模式图。

图3是本发明单光子级分辨率传感器工作原理图。

图4是雪崩倍增原理示意图。

具体实施方式

在以下的详细说明中，描述了特定的细节以便提供对发明全面的理解，如前文所述，将理解如果半导体掺杂的类型相反(即N型掺杂替换P型掺杂)，而电压、阳极和阴极等适当相反，则关于P型和N型材料给出的例子同等使用。本发明假设采用P型衬底，这是标准CMOS工艺中最标准使用的衬底类型。